(57)【要約】【課題】  薄膜フィルムの厚みをインラインで安定して精度良く測定する。【解決手段】  リファレンス波長と吸収波長とを測定し、測定されたそれらの波長の透過量の差を測定対象の厚みに換算する赤外線厚み測定方法において、リファレンス波長については赤外線吸収スペクトル波形の少なくとも１サイクル以上の波形を含むように波長幅を拡張し、吸収波長については極大吸収波長を中心として波長の幅を狭くすることにより波長に対する透過率の変化量を大きくして厚みの測定を行うことを要旨とする。【選択図】      図６
2007033239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リファレンス波長と吸収波長とを測定し、測定されたそれらの波長の透過量の差を測定対象の厚みに換算する赤外線厚み測定方法において、
上記リファレンス波長については赤外線吸収スペクトル波形の少なくとも１サイクル以上の波形を含むように波長幅を拡張し、
上記吸収波長については極大吸収波長を中心として波長の幅を狭くすることにより波長に対する透過率の変化量を大きくして厚みの測定を行うことを特徴とする赤外線厚み測定方法。
【請求項２】
上記幅を持たせたリファレンス波長を２つ設けて３波長測定とし、上記リファレンス波長を平均化する請求項１記載の赤外線厚み測定方法。
【請求項３】
上記測定対象が１４μｍ以下の透明または半透明フィルムである請求項１または２記載の赤外線厚み測定方法。
【請求項４】
上記透明または半透明フィルムとしてポリエステルフィルムを用い、上記吸収波長を波長幅３２８７ｎｍ〜３３１３ｎｍのフィルターで測定する請求項３記載の赤外線厚み測定方法。
【請求項５】
赤外線光源と、
その赤外線光源より発する赤外線の中から測定対象に吸収される特定波長の赤外線を選定するバンドパスフィルターと、
選定された特定波長の赤外線を測定対象に投光する投光部と、
測定対象を透過し吸収された光を受光する受光部と、
受光された光におけるリファレンス波長と吸収波長を測定し、測定されたそれらの波長の透過量の差を測定対象の厚みに換算する厚み換算部と、を備えた赤外線厚み測定装置において、
上記バンドパスフィルターは、リファレンス波長測定用として赤外線吸収スペクトルの波形の少なくとも１サイクル以上の波形が含まれるように幅を持たせたフィルター部と、上記吸収波長測定用として極大吸収波長を中心に波長の幅を狭くすることにより波長に対する透過率の変化量を大きくしたフィルター部とを有することを特徴とする赤外線厚み測定装置。
【請求項６】
２つの上記リファレンス波長測定用のフィルター部を有する請求項５記載の赤外線厚み測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜フィルムの厚みをインラインで測定するのに好適な赤外線厚み測定方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線膜厚計は非接触で被測定シートの厚みを計測することができ、応答速度も速くしかもβ線等を用いる放射線方式に比べると法規制に従った安全管理を必要とせず取り扱いも容易であることから製造ラインにおけるインライン計測器として広く利用されている。
【０００３】
赤外線膜厚計の基本構成は、図９に示すように、赤外線光源５０より発する赤外線を光学フィルター５１に透過させることにより、赤外線の中から被測定シート５２に吸収される特定波長の赤外線を選定し、その特定波長の赤外線を光学レンズ等からなる投光部５３を透過させることにより集光させ、この集光されて測定スポットに絞られた特定波長の赤外線を、走行する被測定シート５２に向けて投射透過させ、被測定シート５２の透過中に吸収され減衰した光を受光部５４で受光し、吸光度を厚みデータ出力手段５５にてフィルム厚みに換算し出力するようになっている（例えば、特許文献１参照）。ただし、吸光度と膜厚との関係はあらかじめ膜厚計に登録されている。
【０００４】
このように測定対象に応じ被測定シート５２に吸収される最適な波長帯を光学フィルターを交換することにより選択し、吸光度を測定すれば、０．１μｍから数ｍｍまでの範囲に亙ってシート厚みを測定することが理論的に可能である。
【０００５】
ところが、非常に薄く且つ平らなシートの厚みを測定する場合、シート表裏の面から反射した光の時間遅れと位相ずれが結合していわゆる光学干渉を発生し、測定精度を低下させることが知られている。
【特許文献１】特開２０００−９７６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来の赤外線膜厚計では、特別の光学系と特別なアルゴリズムを採用する等して初めて薄膜シートの測定を可能にしているが、この種の赤外線膜厚計を環境条件等が変化する実際の製造ラインに適用した場合、測定精度を安定させることが容易でないという問題があった。
【０００７】
本発明は以上のような従来の赤外線膜厚計における課題を考慮してなされたものであり、光学干渉を誘起しやすい薄膜フィルムの厚みを測定する場合であっても安定して精度の高い厚み測定を行うことができる赤外線厚み測定方法およびその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の赤外線厚み測定方法は、リファレンス波長と吸収波長とを測定し、測定されたそれらの波長の透過量の差を測定対象の厚みに換算する赤外線厚み測定方法において、リファレンス波長については赤外線吸収スペクトル波形の少なくとも１サイクル以上の波形を含むように波長幅を拡張し、吸収波長については極大吸収波長を中心として波長の幅を狭くすることにより波長に対する透過率の変化量を大きくして厚みの測定を行うことを要旨とする。
【０００９】
上記測定方法において、上記幅を持たせたリファレンス波長を２つ設けて３波長測定とし、リファレンス波長を平均化することが好ましい。
【００１０】
上記測定方法において、上記測定対象は１４μｍ以下の透明または半透明フィルムであることを要旨とする。
【００１１】
また、上記透明または半透明フィルムとしてポリエステルフィルムを用いる場合、具体的にはポリエチレンテレフタレートフィルムを用いる場合、吸収波長を波長幅３２８７ｎｍ〜３３１３ｎｍのフィルターで測定することが好ましい。
【００１２】
本発明の赤外線厚み測定装置は、赤外線光源と、その赤外線光源より発する赤外線の中から測定対象に吸収される特定波長の赤外線を選定するバンドパスフィルターと、選定された特定波長の赤外線を測定対象に投光する投光部と、測定対象を透過し吸収された光を受光する受光部と、受光された光におけるリファレンス波長と吸収波長を測定し、測定されたそれらの波長の透過量の差を測定対象の厚みに換算する厚み換算部と、を備えた赤外線厚み測定装置において、上記バンドパスフィルターは、リファレンス波長測定用として赤外線吸収スペクトルの波形の少なくとも１サイクル以上の波形が含まれるように幅を持たせたフィルター部と、吸収波長測定用として極大吸収波長を中心に波長の幅を狭くすることにより波長に対する透過率の変化量を大きくしたフィルター部とを有することを要旨とする。
【００１３】
上記測定装置において、２つのリファレンス波長測定用のフィルター部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光学干渉を誘起しやすい厚みの薄いシート状測定対象を測定する場合であっても安定して精度の高い厚み測定を行うことができるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の赤外線厚み測定方法が適用される、代表的な縦−横逐次二軸延伸方法を用いたフィルム製造ラインの制御ブロック図を示したものである。なお、本発明において、フィルム製造ラインは、横−縦二軸延伸方法を用いてもよいし、同時二軸延伸方法を用いてもよい。また、縦方向あるいは横方向の一軸に延伸される、一軸延伸フィルムについても適用することができる。以下、代表的なフィルム製造ラインである、縦−横逐次二軸延伸フィルムについて、図面を用いて説明する。
【００１７】
同図において、成形装置１のダイ２より溶融状態で押し出された熱可塑性樹脂はチルロール３によって急冷され、フィルム状に成形される。
【００１８】
その未延伸の熱可塑性フィルムＦはキャスト側に配置された第一の厚みセンサ４を通過する際に厚みが測定され、測定結果はキャスト厚み制御部５に送られる。
【００１９】
次いで、フィルムＦは周速差の異なるロールからなる縦延伸機６に導入され、縦方向（フィルム走行方向）に延伸される。次いで縦延伸されたフィルムＦはテンターのクリップによってその両端を把持されつつ横延伸機７に導入されて横方向（フィルム幅方向）に延伸される。このようにして二軸延伸されたフィルムＦは熱固定部８で熱固定され、冷却される。次いで、フィルム両端部の不要部分がトリミングされた後、巻取り機（図は省略）によって巻き取られる。
【００２０】
この巻取機の手前であるリール側にも第二の厚みセンサ９が配置され、延伸後のフィルムＦの厚みが測定される。測定結果はリール厚み制御部１０に送られる。
【００２１】
リール厚み制御部１０とキャスト厚み制御部５は協働するように構成されており、ヒートボルト制御盤１１を制御することにより、以下に示す３種類のフィードバック制御を行うことができるようになっている。
【００２２】
（１）キャストコントロール
キャスト側に配置されている第一の厚みセンサ４によって測定されたフィルム厚みに基づいてキャストの目標厚みになるようにヒートボルトを制御する。
【００２３】
（２）リールコントロール
リール側に配置されている第二の厚みセンサ９によって測定されたフィルム厚みに基づいてリールの目標厚みになるようにヒートボルトを制御する。
【００２４】
（３）カスケードコントロール
第二の厚みセンサ９によって測定されたフィルム厚みに基づいて目標フィルム厚みとなるように第一の厚みセンサ４の目標値を設定する。この場合、キャスト側に配置された第一の厚みセンサ４はリール側に配置された第二の厚みセンサ９の目標厚みとなるようにヒートボルトを制御することになる。
【００２５】
なお、キャスト厚み目標値およびリール厚み目標値はそれぞれ図示しないパーソナルコンピュータから与えられるようになっている。
【００２６】
図２はヒートボルト制御盤１１によって制御されるヒートボルトの構成を示した断面図である。
【００２７】
同図において、２０ａおよび２０ｂは対向配置されたダイのリップであり、このリップの一方にヒートボルト２１が紙面厚さ方向に多数（例えば４２本）配列されている。各ヒートボルト２１にはヒータ２２が被装されており、そのヒータ２２がヒートボルト制御盤１１によって加熱されると、ヒートボルト２１が熱膨張によって軸方向に伸長しリップ開度Ｓを調整するようになっている。
【００２８】
詳しくは、フィルム厚みが厚い場合にはヒータ２２の出力を上げることによってヒートボルト２１を軸方向に膨張させリップ開度Ｓを閉じる方向に制御し、これとは逆に、フィルム厚みが薄い場合にはヒータ２２の出力を下げることによってリップ開度Ｓを開く方向に制御する。
【００２９】
図３は上述した第二の厚みセンサ９の構成を拡大して示したものである。
【００３０】
同図において、第二の厚みセンサ９は赤外線透過型センサからなり、走行するフィルムＦの周囲を囲むようにして窓枠状に配置されるフレームを有している。
【００３１】
そのフレームにおける上側フレームには上センサーヘッド（受光部）９ａが設けられ、下側フレームには下センサーヘッド（投光部）９ｂが設けられている。
【００３２】
上センサーヘッド９ａと下センサーヘッド９ｂとはフィルムＦを挟んだ状態で上下に対向配置されており、上側フレームおよび下側フレームに沿ってフィルム幅方向に往復移動するようになっている。
【００３３】
下センサーヘッド９ｂのケース９０内には赤外線光源９１が配置され、この赤外線光源９１から出射され反射鏡９２を反射した光はバンドパスフィルター（フィルター）９３を通過することによって特定の波長が選択され、ハーフミラー９４で反射された光は反射鏡９５でさらに反射されディテクター９６ａによって検出される。
【００３４】
このディテクター９６ａによって検出された信号はＡ／Ｄ変換器に介して符号化され厚みに換算される。
【００３５】
一方、ハーフミラー９４を通過した光は全反射平面鏡９７によって反射されその光路を上向きに変更されレンズ９８によって集光され、フィルムＦを透過した光は二つのディテクターのうちの一方のディテクター９６ｂによって検出される。
【００３６】
また、フィルムＦ表面で反射した集められた光はマジックミラー９９によって測定スポット周辺に再び集めて戻され、他方のディテクター９６ｃによって検出される。すなわち、フィルムＦ表面で反射した反射光はマジックミラー９９によって正確に他方のディテクター９６ｃに送られるため、光学干渉の影響を打ち消すようになっている。
【００３７】
上記バンドパスフィルター９３は円盤形に構成されており、モータ９３ａによって高速回転（例えば８０００ｒｐｍ）するようになっている。
【００３８】
また、円盤上に設けられるフィルター部（図示しない）は円周上に複数備えられており、２つのフィルター部はリファレンス波長を通過させ、１つのフィルター部は吸収波長を通過させるようになっている。
【００３９】
なお、以下の説明では厚み１４μｍ以下のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）薄膜フィルムを測定するためのバンドパスフィルター９３を例に取り説明する。
【００４０】
二つのフィルター部における一方はリファレンス波長として２４００〜３２００ｎｍを通過させ、他方はリファレンス波長として３５００〜４９００ｎｍを通過させる。１つのフィルター部は吸収波長として３２８７ｎｍ〜３３１３ｎｍを通過させる。なお、残りのフィルター部は使用しない。
【００４１】
赤外線厚み測定の基本原理は、リファレンス波長（フィルムＦを透過しても光のエネルギーが吸収されず厚みによって透過率が変化しない波長）と吸収波長（フィルムＦを透過すると光のエネルギーが吸収され厚みによって透過率が変化する波長）により、２波長の透過量の差を厚みに換算するというものである。
【００４２】
しかしながら、リファレンス波長が１つの場合、光が干渉することによってリファレンス波長の透過量が大きく変動してしまうと、フィルム厚み測定に大きく影響を及ぼすことになり、特にリファレンス波長の波長幅が短いと、リファレンス波長の透過量が変動することでリファレンス部分の受光エネルギーが大きく変動するため、フィルム厚み測定結果が変動する。
【００４３】
そこで、本発明では幅を持たせたリファレンス波長を２つ設けてリファレンス波長の変化量を平均化、すなわちリファレンス波長における透過量の変動を鈍らせることによって同じ厚みのフィルムＦを測定した場合における透過量の変動の割合を低減させている。
【００４４】
図４は上記幅を持たせたリファレンス波長をグラフで示したものである。
【００４５】
同図において、従来の赤外線センサは通常、３２７０ｎｍ〜３３３０ｎｍの吸収波長と、３５００〜４４００ｎｍのリファレンス波長との２波長で測定していた。
【００４６】
これに対し本発明は、上記したように幅を持たせた２つのリファレンス波長（２４００〜３２００ｎｍと３５００〜４９００ｎｍ）をそれぞれ設けており、各リファレンス波長の積分値は、例えば３５００〜４９００μｍを参照すると、グラフ中の斜線で示した面積で表されるため、各リファレンス波長に幅を持たせるということは測定誤差を相殺することになる。
【００４７】
なお、リファレンス波長の幅は、少なくとも波形の周期が１サイクル（図中Ｔ参照）を超える幅に設定している。したがって波形周期の短い方２４００〜３２００ｎｍよりも波形周期の長い方３５００〜４９００ｎｍが波長の幅を広くしている。
【００４８】
図５はリファレンス波長における波長と透過率の関係を表したものである。
【００４９】
同図(ａ)は従来の赤外線センサにおけるリファレンス波長と透過率の関係を示したものであり、リファレンス波長の幅が狭いため、光が干渉することによってリファレンス波長部分の面積Ｓ１またはＳ２が大きく変化することがわかる。
【００５０】
これに対し本発明のセンサにおけるリファレンス波長は図５(ｂ)に示すように、リファレンス波長の幅を広く設定しているため、光が干渉してもリファレンス波長部分の面積Ｓ３またはＳ４の変化は小さくなる。すなわち、測定誤差を低減することができる。
【００５１】
一方、吸収波長については上記リファレンス波長とは異なり、幅を持たせるとフィルム厚さを正確に測定することができない。
【００５２】
図６は本発明の吸収波長をグラフで示したものである。
【００５３】
従来の赤外線センサのバンドパスフィルターの精度が３３００ｎｍ±０．９％（波長幅にすると３２７０〜３３３０ｎｍ）であるのに対し、本発明では上記したように精度を３３００ｎｍ±０．４％（波長幅にすると３２８７〜３３１３ｎｍ）という狭幅に設定している。
【００５４】
受光エネルギーはλ−Transmission図上の面積で表され、受光エネルギーの差によってフィルムの厚みを算出している。
フィルムの厚み≒ｌｎ（Ｉｉ／Ｉｔ）×λｒｅｆ−ｌｎ（Ｉｉ／Ｉｔ）×λａｂｓ
Ｉｉ：投光エネルギー
Ｉｔ：吸収波長の光のエネルギー
λｒｅｆ：リファレンス波長
λａｂｓ：吸収波長
ｌｎ（Ｉｉ／Ｉｔ）×λｒｅｆ：リファレンス波長部分の受光エネルギー
ｌｎ（Ｉｉ／Ｉｔ）×λａｂｓ：吸収波長部分の受光エネルギー
【００５５】
したがって、従来のセンサでは、フィルムの厚みの変化が小さいと、受光エネルギーの変化率も小さいため、精度の高い厚み測定を行うことができなかった。
【００５６】
これに対し、本発明のバンドパスフィルター９３ではバンドパスフィルターの精度を３３００ｎｍ±０．４％と狭くしたため、光の透過量を３２８７〜３３１３ｎｍの範囲で検出しフィルム厚みに換算することになる。
【００５７】
図７は吸収波長における波長と透過率との関係をグラフで示したものであり、同図(ａ)は従来の赤外線センサによる吸収波長を、同図(ｂ)は本発明の吸収波長をそれぞれ示している。
【００５８】
図７(ａ)に示す従来の赤外線センサにおける吸収波長ではバンドパスフィルターの精度が３３００ｎｍ±０．９％であったため、フィルム厚みが例えば５．４μｍ（面積Ｓ５）から４．４５μｍ（面積Ｓ６）に変化しても受光エネルギーの変化率（面積変化率Ｓ６−Ｓ５）が小さく、フィルム厚みを精度良く測定することができなかった。
【００５９】
これに対し、本発明の厚みセンサにおける吸収波長では、バンドパスフィルター９３の精度を高めて吸収波長の幅を狭くしているため、上記と同じ条件でフィルム厚みを変化させた（面積Ｓ７→Ｓ８）場合、受光エネルギーの変化率（面積変化率Ｓ８−Ｓ７）を大きくした状態で検出することが可能になるため、結果として測定精度を向上させることができる。
【００６０】
このように、リファレンス波長に幅を持たせることと吸収波長については波長幅を狭くすることとを組み合わせれば、厚みの薄いフィルムをインラインで測定する場合であっても精度良く厚みを測定することが可能になる。
【００６１】
図８はオフライン厚み計（ＳＩＯＳ社製  ＬＭ（分解能１ｎｍ））による測定値と本発明の厚み計による測定値との相関を調べたものである。
【００６２】
同図において、横軸はオフライン厚み計（分解能１ｎｍ）による測定値、縦軸は本発明の厚み計（ＮＤＣ社製厚みセンサーＴＦＧ７１０において、バンドパスフィルターの精度を３３００ｎｍ±０．４％に高め、且つ特定の波長幅を有する２つのリファレンス波長（２４００〜３２００ｎｍと３５００〜４９００ｎｍに設定したもの）による測定値を示している。
【００６３】
ただし、両厚み計は同一条件で測定され、フィルム温度は４０℃、センサヘッド温度は４８℃である。
【００６４】
従来の赤外線センサを用いて測定された測定値の相関係数は０．９８７９であったが、本発明のセンサを用いて測定された測定値の相関係数は０．９９３８となり、測定精度の指標となる相関係数の向上することが確認された。
【００６５】
このように、薄膜フィルムの厚みを正確に測定することが可能になると、図１に示したように、測定値に基づいて制御を行うリール厚み制御部１０、キャスト厚み制御部５がそれぞれヒートボルト制御盤１１に対して正確な指令を出力することができるようになり、ヒートボルトによるリップ開度の制御が正確に行われ、製品厚みを正確にコントロールすることが可能になる。
【００６６】
なお、キャスト側はフィルム厚みが厚いため、そのフィルム厚みを測定する第一の厚みセンサ４としては上述した薄膜測定用の第二の厚みセンサ９を使用せず、受光側に一つのディテクターを配置したシンプルな構成でフィルムの厚みを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係るフィルム厚さ測定が適用される製造ラインを示した制御ブロック図である。
【図２】図１に示したダイの開度調整を行うヒートボルトの断面図である。
【図３】図１に示した第二の厚みセンサの構成を示す拡大図である。
【図４】本発明に係るバンドパスフィルターのリファレンス波長を示すグラフである。
【図５】(ａ)は従来のリファレンス波長における波長と透過率の関係を、(ｂ)は本発明のリファレンス波長における波長と透過率の関係を示したグラフである。
【図６】本発明に係る吸収波長を示すグラフである。
【図７】(ａ)は従来の吸収波長における波長と透過率の関係を、(ｂ)は本発明の吸収波長における波長と透過率の関係を示したグラフである。
【図８】非接触式センサによる測定値との相関関係を示すグラフである。
【図９】従来の赤外線膜厚計の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１    成形装置
２    ダイ
３    チルロール
４    第一の厚みセンサ
５    キャスト厚み制御部
６    縦延伸機
７    横延伸機
８    熱固定部
９    第二の厚みセンサ
９ａ  上センサーヘッド
９ｂ  下センサーヘッド
１０    リール厚み制御部
１１    ヒートボルト制御盤
２０ａ，２０ｂ    リップ
２１    ヒートボルト
２２    ヒータ
９０    ケース
９１    赤外線光源
９２    反射鏡
９３    バンドパスフィルター
９４    ハーフミラー
９５    反射鏡
９６    ディテクター
９７    全反射平面鏡
９８    レンズ
９９    マジックミラー
【図１】
2007033239.tif 000003
【図２】
2007033239.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007033239.tif 000008
【図７】
2007033239.tif 000009
【図８】
2007033239.tif 000010
【図９】
2007033239.tif 000011